Préambule : les formes d’excès d’eau

3Le dimensionnement du drainage est basé en France sur le fonctionnement hydraulique d’un sol drainé, dont la compréhension est souvent facilitée par une comparaison avec le fonctionnement d’un sol sain. Des sols sains existent en France tels qu’on peut en trouver en milieu calcaire comme en Picardie, en Brie, en Beauce et dans le Bassin aquitain. L’eau s’infiltre et migre en profondeur à travers les pores du sol, sans rencontrer d’obstacle, et va directement des horizons supérieurs aux niveaux inférieurs, en général constitutifs de la couche porteuse d’une nappe. Par contraste avec les sols sains, on trouve des sols engorgés pour la plupart à cause d’une nappe perchée temporaire. À la différence d’un sol sain, ces sols présentent entre 60 cm et 1m une discontinuité texturale limon sur argile constitutive d’un plancher dit imperméable. L’eau de pluie s’infiltre jusqu’à l’imperméable, puis forme une nappe dite nappe perchée temporaire (NPT) qui remonte jusqu’à la surface, voire même déborde et ruisselle. Le plancher imperméable résulte généralement d’un processus connu des pédologues appelé lessivage, produit par l’entraînement mécanique des particules argileuses sous l’influence répétée de la pluie infiltrée au sein de sédiments lœssiques ou de profil d’altération limono-argileux.

1. Représentation schématique d’une nappe perchée temporaire en situation non drainée (à gauche) et drainée par tuyaux enterrés (à droite). Le plancher imperméable (en marron) se situe en général entre 40 cm et 1 m de profondeur et les drains sont aux environs de 80 cm de profondeur.

1. Représentation schématique d’une nappe perchée temporaire en situation non drainée (à gauche) et drainée par tuyaux enterrés (à droite). Le plancher imperméable (en marron) se situe en général entre 40 cm et 1 m de profondeur et les drains sont aux environs de 80 cm de profondeur.

4La position de la surface de la nappe (figure 1) fluctue en fonction des précipitations, des prélèvements par évaporation et sous l’influence de son tarissement naturel vers un exutoire en général distant. Proche de la surface de la fin de l’hiver au milieu du printemps, elle gêne le développement des cultures (asphyxie racinaire), les pratiques culturales et/ou les apports d’intrants. On dit que le sol souffre d’excès d’eau, ce que l’on contrecarre en utilisant des techniques de drainage : drainage de surface (rigoles, ados) ou drainage par fossés (principalement drainage forestier) ou encore par tuyaux perforés, enterrés, que l’on appelle drains.

5En présence de NPT, l’agriculture est possible au prix d’une production faible et aléatoire, de dangers sur la qualité des sols (tassements dus au trafic en mauvaises conditions de portance, érosion) de risques environnementaux liés au ruissellement et à une mauvaise maîtrise des apports azotés. Le drainage agricole permet de contrôler la position de la nappe. Ainsi, après un épisode pluvieux, le niveau de la nappe baisse rapidement, ce qui permet de favoriser le développement des racines, et donc des cultures, augmenter le nombre de jours disponibles pour le travail du sol, ajuster les apports d’intrants, contrôler les impacts. Ici l’origine de l’excès d’eau est la pluie et cette situation correspond à la très grande majorité des situations drainées en France.

6Il existe une autre forme d’excès d’eau que les agriculteurs sont amenés à gérer : l’excès d’eau quasi permanent lié à une nappe d’accompagnement de cours d’eau de taille variable – du ruisseau au fleuve – et généralement contrôlé par l’aval (rétrécissement du lit, position du niveau de la mer). La nappe fluctue sous l’influence des précipitations, des apports latéraux des versants, de la nappe phréatique, de l’efficacité des infrastructures hydrauliques souvent pluri centenaires. Les situations sont assez contrastées depuis la zone humide de bas fond, de prairies humides dont on peut penser que l’intérêt écologique prime jusqu’au système fortement anthropisé de polders où les usages sont multiples. Il se trouve aussi que les zones à excès d’eau permanent sont soumises à différents cadres réglementaires et le génie juridique est une composante importante sinon essentielle de l’ingénierie du drainage.

Dimensionnement du drainage

7Le drainage recouvre plusieurs acceptions :

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• un processus de transfert de l’eau, qui se raisonne à l’échelle du profil de sol ou du bassin versant,
• un ouvrage d’évacuation de l’eau en excès, qui concerne la parcelle ou un système de parcelles ou d’exutoires,
• un aménagement hydroagricole, qui s’insère dans un périmètre ou une région et s’apparente à l’assainissement agricole.

9Il inclut aussi deux aspects complémentaires : le rôle de collecte de l’eau au sein du massif de sol (drainage sensu stricto) et celui de transport de l’eau collectée en dehors du massif du sol (assainissement agricole). Cette dualité est propre à tout système de drainage et induit parfois des confusions.

10Nous nous intéressons ici au drainage en tant qu’ouvrage d’évacuation de l’eau en excès. Le dimensionnement du drainage vise dans ce cas à déterminer l’espacement des drains (fonction collecte) et le diamètre des conduits (fonction transport). La détermination de l’écartement des drains requiert une connaissance des écoulements au sein d’un sol drainé.

11La figure 2 montre que le débit du drain résulte de deux écoulements l’un préférentiel au-dessus du drain (5) et l’autre dans la masse du sol (4). Le premier est à l’origine des débits élevés au cours d’épisodes de pointe intenses, mais brefs, pour une durée cumulée de quelques heures par an et une présence d’eau en surface tout aussi fugace et pas nécessairement en lien avec la position de la nappe.

12Le dimensionnement ne prend pas en compte les écoulements préférentiels (5) pour des raisons agronomiques, car des plantes ne sont pas sensibles à une présence aussi faible de la nappe, mais aussi économiques, car la prise en compte d’un débit plus élevé génère un surcoût qui n’a aucune raison d’être.

13Les écoulements au-dessous de l’imperméable (6) étant négligeables, même s’il peut y avoir des nuances régionales (), l’évaporation (3) étant faible en période de fonctionnement de drainage, le dimensionnement du drainage se fait finalement en considération de l’écoulement de la nappe perchée (4). Cet écoulement et les fluctuations correspondantes de la nappe sont bien reproduits par un modèle d’écoulement en régime transitoire dans un milieux poreux saturé. Ce modèle, mis au point dans les années 1970 et 1980 par Guyon (par exemple : ) et Cros, et bien consolidé par les successeurs, (par exemple : ), est paramétré par les caractéristiques hydrodynamiques des sols () et des descripteurs du rabattement de la nappe (position initiale de la nappe, position finale et temps de tarissement) que l’on met en relation de façon semi-empirique aux besoins des cultures ou de l’agriculteur. On impose en général un rabattement de la nappe de 25 cm en 24 heures. La figure 2, par simplification, montre un drain reposant sur l’imperméable. Les approches théoriques sont valides pour des drains posés au-dessus du substrat. Si le drain est dans l’imperméable, le sommet de l’imperméable est la limite hydraulique pour le calcul des dimensions ; dans ce cas, il y a une hypothèse implicite que la connexion hydraulique entre le sommet de l’imperméable et le drain, due au travail du sol de la draineuse au moment de la pose du tuyau, est suffisante et pérenne. Ceci a été confirmé par les retours d’expériences organisés dans le cadre des secteurs de références, avec toutefois de fortes restrictions dans les sols argileux plastiques ou gonflants et pour lesquels l’avis d’un pédologue spécialisé est requis [ [1]].

14Les paramètres de dimensionnement une fois établis, le diamètre des conduits est calculé et les systèmes de drainage sont dessinés de manière à avoir une couverture minimale de 75 cm en tout point du réseau et en respectant des pentes minimales de 0,5 % et 0,2 % pour les drains et les collecteurs, respectivement. La composition des pentes minimales et des longueurs de files de drains résulte de conduites relativement profondes et qui se rejettent entre 1 m et 1,5 m de profondeur dans les fossés récepteurs, ce qui en conditionne la géométrie et leur donne une capacité hydraulique souvent supérieure à celle strictement requise pour évacuer le débit de projet. Cette caractéristique des fossés modifie les écoulements dans le bassin versant, qu’il convient de compenser.

2. Schéma d’écoulement de l’eau vers le drain dans un sol drainé par tuyau enterré

2. Schéma d’écoulement de l’eau vers le drain dans un sol drainé par tuyau enterré

La pluie incidente (1) pour partie s’évapore (3), pour une autre partie ruisselle (2) soit à la surface du sol ou dans l’horizon labouré, et pour une troisième partie s’infiltre pour former une nappe perchée sur l’imperméable. La part ruisselée peut elle-même transiter préférentiellement au droit du drain via la tranchée (5) (ou via le prisme de fissuration) créée par la machine à drainer au moment de la pose du drain. La partie infiltrée rejoint soit les aquifères profonds, car les imperméables ne le sont jamais totalement (6) soit forme une nappe qui s’écoule vers le drain au rythme des précipitations (4) (Lesaffre 1989).

15Le dimensionnement des conduits et des exutoires se fait avec des considérations plutôt hydrologiques. En effet, le dimensionnement des ouvrages en aval, à travers les villages, villes et jusqu’à la mer se fait en régime permanent avec des paramètres de risque de plus en plus sévères à mesure que l’on va vers l’aval (annuel, décennal, centennal). En pratique, le passage du régime transitoire au régime permanent se fait dans les collecteurs. L’état de l’art prévoit un paramètre de risque peu sévère, en l’occurrence l’intensité moyenne journalière de la pluie annuale de trois jours (Ministère de l'Agriculture, 1986 ; Lesaffre, 1990), qui peut être déterminée sur des analyses statistiques des pluies (Ministère de l'Agriculture, 1979 ).C’est elle qui permet de déterminer le débit de projet, à savoir un débit spécifique dont les valeurs en France couvrent des valeurs de 1 à 2 l s-1 ha-1 avec des maximales de l’ordre 5 l s-1 ha-1 en montagne. Le calcul du diamètre du collecteur se fait par la formule de Manning Strickler pour une section juste pleine si raccordement par la génératrice supèrieure (trois-quart pleine sinon). En tête de bassin versant, les fossés sont dimensionnés sur la base d’un débit annual.

1. Paramètres de dimensionnement du drainage dans différents pays européens.

1. Paramètres de dimensionnement du drainage dans différents pays européens.

16À noter que l’écoulement dans le drain est en régime graduellement varié du fait que la superficie drainée, et donc le débit collecté, augmente vers l’aval (Cros, 1973). On atteint un point dit de longueur maximale du drain quand le débit collecté est supérieur à la capacité de transport pour le diamètre donné quand le tirant d’eau critique est atteint. Au-delà de ce point, on change de diamètre de tuyau pour la dimension supérieure, ou on raccorde sur un collecteur si la dimension supérieure est déjà atteinte [ [2]]. Les longueurs maximales sont généralement comprises entre 100 et 400 m.

17Ces règles sont décrites depuis les années 1970. Nous n’avons pas retrouvé trace des méthodes en vigueur auparavant. Nous avons été amenés à ausculter des réseaux anciens, certains posés au dix-huitième siècle, et avons constaté que la conception et le dessin étaient voisins de ce que l’on aurait fait aujourd’hui. Certains réseaux étaient encore fonctionnels, y compris parmi les plus anciens. Ceux qui ne l’étaient plus étaient mal conçus ou mal réalisés (sous profondeurs, contrepentes, tuyaux cassés ou disjoints, mauvais raccordements...). Pour les réalisations récentes, nous avons un recul et une expertise sur une cinquantaine d’années, qui nous permettent d’affirmer qu’un drainage bien conçu et réalisé est un ouvrage durable.

18Comme l’indique le tableau 1, les méthodes de dimensionnement varient d’un pays à l’autre, avec des valeurs de débit de projet comprises entre 0,8 et 3,5 l s-1 ha-1. Les valeurs des écartements de drains varient également. Les plus élevées concerne les pays anglo-saxons où l’on a privilégié le drainage par des « french drains », appellation abusive de drains où l’on a remplacé le remblai naturel de la tranchée par du gravier. L’explication est plutôt d'ordre financier : les Anglais ont considéré qu'un ouvrage collectif était un collecteur gravillonné tous les 50 à 75 mètres, qu’ils finançaient lourdement, laissant aux agriculteurs la charge d’amener l’eau à ces systèmes gravillonnés. C'est ainsi que les agriculteurs ont développé les techniques de drainage-taupe [ [3]] dont on ne connait pas l’état après quarante ans d’usage. On peut noter que le recours à un régime variable est une spécificité française. Les autres pays européens ont recours à une méthode en régime permanent qui recherche une position d’équilibre de la nappe sous une pluie fictive constante. Ce modèle est plutôt adapté aux pays où les nappes permanentes sont bien développées (typiquement les Pays-Bas) ou bien ceux dont les climats humides sont bien reproduits par l’hypothèse de pluie constante.

19À partir de ces éléments, de l’analyse des contraintes (risque de colmatage minéral (Lennoz Gratin, 1993) sols gonflants, topographie) le concepteur dessine le projet, positionne les collecteurs, organise les panneaux [ [4]] de drains, détermine les écartements de drains, les dimensions des drains et des collecteurs, vérifie les profondeurs et établit les plans d’exécution.

20Une fois conçus, les drains sont posés par des draineuses trancheuses ou des draineuses sous-soleuses, toutes deux guidées pas un faisceau laser. Un cahier des clauses techniques générales des travaux d’assainissement donne un encadrement technique à ces travaux (Ministère de l'Agriculture, 1986). Il existe une marque AFNOR « drain » [ [5]] et il est recommandé d’utiliser des tuyaux normalisés, car le bond qualitatif est certain. Les matériaux d’enrobage des drains doivent être en conformité avec les normes géotextiles en vigueur [ [6]].

3. Superficie (ha) drainées annuellement de 1975 à 2005, établies par Irstea (Zimmer, Dumitriu) sur les déclarations des entreprises de drainage adhérentes au Syndicat national des entreprises de drainage, les coopératives d’utilisation de matériel agricole (CUMA de drainage) en lien avec les Chambres départementales d’agriculture, le recoupement avec les financements du ministère de l’Agriculture, les données du Syndicat national des fabricants de drains annelés. Ces statistiques jusqu’alors supportées par le ministère de l’Agriculture, se sont arrêtées en 2005, le taux de réponse aux enquêtes étant devenu trop faible. Le cumul entre 1975 et 2000 est de 2 016 501 ha, mais cette valeur n’est pas directement comparable à celle du RGA de 2000 car nous n’avons pas le cumul en 1975.

Réalisations en France et en Europe

Qu’en est-il de la situation du drainage en Europe ?

25La figure 5 montre que plus on remonte vers le nord, plus la part de SAU de superficies drainées augmente. En Angleterre, le taux élevé de réalisation est le résultat d’une politique volontariste et d’un choix technologique. Dans les pays baltes et scandinaves, la faible superficie arable et le faible nombre de jours favorable aux cultures font que les terres doivent se ressuyer au plus vite après le dégel. Les ingénieurs recourent à des techniques sophistiquées pour drainer des tourbières ou des sols sulfatés acides, car chaque hectare compte dans la balance alimentaire. Les cadres réglementaires et les accompagnements financiers ne sont pas comparables non plus.

26Bien que cela n’apparaisse pas dans les cartes, nos partenaires européens considèrent que le drainage est un outil de gestion de l’eau et des sols d’un point de vue quantitatif et qualitatif, car il permet à la fois une gestion parcimonieuse des intrants, et des actions de régulation à l’aval par le simple fait qu’il transforme une pollution diffuse en pollution ponctuelle.

Superficies drainées en France en % de la superficie agricole utile (SAU) par canton

Superficies drainées en France en % de la superficie agricole utile (SAU) par canton

À gauche en haut : superficie drainée en part de la SAU par canton (ha ha-1) ; RGA de 2010. À droite : évolution des SAU du RGA 2000 au RGA 2010, en part de la superficie drainée en 2010, à l’échelle du canton (ha ha-1).

Superficies drainées en Europe en % de la SAU. Cette statistique résulte du croisement de différences sources : les déclarations des États membres de l’ICID (International Commission on Irrigation and Drainage) ; la base de données FAO ; la base de données de la Banque mondiale (extrait de ICID international drainage database : https://www.icid.org/world-drained-area.pdf).

Une ingénierie en évolution

27Une opération de drainage agricole est une opération complexe et multidisciplinaire. Le concepteur doit réaliser ou faire exécuter des études topographique, pédologique et hydrologique détaillées. Il faut aussi intégrer des données agronomiques et semi-naturalistes pour dimensionner des systèmes de drainage et, in fine, traduire l’ensemble dans des plans cohérents. Cet état de l’art assez ancien ne nécessite pas d’évolution sensible, car il est adapté aux situations françaises et tient compte de technologies avancées : par exemple, le guidage laser des draineuses est de pratique courante depuis une vingtaine d’années et permet d’atteindre une précision centimétrique. Si les règles de l’art sont respectées, il y a très peu de retours en service après-vente et les ouvrages sont durables. La jurisprudence en a fait des immeubles transmissibles qui ont une valeur patrimoniale, et même pour les plus anciens systèmes, une valeur historique. Un point toutefois mériterait vérification ; en effet, les débits de projets sont issus d’une étude statistique de pluies classées datant de... 1979. Depuis, quarante années se sont écoulées et il conviendrait de vérifier si le classement des pluies est toujours d’actualité. Un projet est prévu en 2020.

28Il y a donc peu de choses à faire sur ce que l’on appelle la « tuyautique » car l’état de l’art a été correctement établi dès les années 1990. Le concepteur doit maintenant prendre en compte le cadre réglementaire dont l’application est complexe, car sujet à interprétation et à une jurisprudence évolutive. Il doit aussi appréhender l’impact de ses ouvrages avec à la clé des dossiers « loi sur l’eau » assez épais. Ces points de réglementation sont traités dans l’article de B. Dury (pages xx de ce numéro).

29Enfin, sur le plan de la qualité de l’eau en sortie de collecteur, le concepteur doit être capable de proposer des ouvrages de remédiation adaptés (encadré 1) et correctement dimensionnés, tout en encourageant une utilisation vertueuse des intrants.

30La remédiation, telle que majoritairement effectuée en France et basée sur des fondations fondées sur la nature, ne concerne que les installations récentes (Tournebize et al., pages XX de ce numéro). Les trois millions d’hectares drainés en France pourraient être équipés d’ouvrages de remédiation avec un impact potentiel bénéfique sur la qualité des eaux de surface. Pour atteindre cet objectif, pour un ratio moyen de superficie en zone tampon humide artificielle (ZTHA) par superficie drainée de 2 %, il faudrait créer environ 60 000 ZTHA, soit l’équivalent de de un à deux ans de pertes de terres par imperméabilisation. C’est un objectif atteignable par une politique raisonnée de la gestion de l’eau dans les territoires.

Conclusions

31En France, on draine parce qu’il pleut et que les sols sont peu perméables ou présentent un plancher imperméable. C’est un élément incontournable de l’agriculture dans les territoires hydromorphes, où le drainage amène le sol au potentiel de rendement d’un sol sain. Un drainage bien conçu, réalisé et entretenu est un ouvrage durable, pluri-décennal, voire même pluri-centennal. C’est un immeuble et on peut lui attribuer une valeur patrimoniale et transgénérationelle. Par son rôle anti érosif, c’est un outil de préservation des sols.

32Nous avons suggéré, et ce sera repris dans le reste du numéro, que le drainage amène une redistribution des bilans hydrique, de solutés, de particules. Nos voisins l’ont bien compris : le drainage est un outil de gestion de l’eau. Il faut faire force de sa capacité à transformer une pollution diffuse en une pollution ponctuelle pour reprendre l’effluent à moindre coût et en améliorer la qualité. Ceci nous fait écrire que l’innovation en drainage n’est pas tant sur la technologie que sur l’optimisation des dispositifs de remédiation et leur implantation concertée dans un territoire via des outils de dialogue territorial, de l’hydro-diplomatie en quelque sorte. Certains ouvrages de remédiation, comme les bioréacteurs nécessitent validation dans le contexte national. D’autres comme le drainage contrôlé ont toutes les infrastructures utiles pour être appliqués dans les 250 000 hectares de polders français. Cette remarque vaut pour d’autres pays européens. D’autres enfin, les ZTHA, ont prouvé leur performance (Tournebize et al., pages XX de ce numéro), au point que leur généralisation aux trois millions d’hectares drainés pourrait devenir un défi atteignable d’aménagement : vaut-il mieux 60 000 hectares de ZTHA ou l’équivalent de deux années de superficies imperméabilisées ?